CN110912281B - 蜂窝形无线供能装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于微型机器人的蜂窝形无线供能装置，包括：对应设置的上层发射端和下层发射端，以及外部机械驱动系统和外部电路驱动系统，其中：外部机械驱动系统与上层发射端和下层发射端相连以调整发射端的位姿，外部电路驱动系统与发射端配合产生交变磁场以为胃肠道机器人的接收线圈提供驱动能量。本发明采用多蜂窝阵列型无线供能发射端模式，每对对立的蜂窝形发射单元都能够独立驱动，根据所需供能面积，选择需要组合的蜂窝对数形成阵列。对比现有的单驱动线圈模式，多核心驱动模式的组合方式更加灵活、驱动电压需求更低且有效供能面积占比更高，能够更稳定的为胃肠道机器人无线供能。

Description

蜂窝形无线供能装置
技术领域
本发明涉及的是一种磁谐振耦合无线能量传输领域的技术，具体是一种用于微型机器人的蜂窝形无线供能装置。
背景技术
胃肠道微型机器人为了满足人体由口吞服方式进行胃肠道无创诊查的目标，其内部机械结构及电路结构均高度集成化、微型化，而现在的小型纽扣电池单位体积下的能量有限，不足以让机器人完成一次完整的胃肠道诊查。现有技术中的无线供能方式大都采用自身供电、单核心供电输出磁场，其有效供能面积集中于轴线处，靠近边缘处供能磁场明显降低，即总的有效供能面积区域占总面积的比例较小且无法根据实际需求改变自身形状或者面积：当需要大面积的供能区域，需要增大线圈面积，导致线圈的驱动电压过高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种蜂窝形无线供能装置，通过构造对应两层的多蜂窝阵列型发射端的模式，增加了有效供能区域相对于供能线圈平面总面积的占比，便于体姿调整；降低了整体供能线圈所需的驱动电压，提升了能量传输效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：对应设置形成稳定的交变磁场的上层发射端和下层发射端，以及外部机械驱动系统和外部电路驱动系统，其中：外部机械驱动系统与上层发射端和下层发射端相连以调整发射端的位姿，外部电路驱动系统与发射端配合产生交变磁场以为胃肠道机器人的接收线圈提供驱动能量。
所述的发射端由蜂窝形发射单元组成，其发射单元个数由供能面积决定。
所述的蜂窝形发射单元包括：底座、磁芯和绕设的发射线圈，其中：磁芯设置于底座中心，发射线圈通过圆管绕设于磁芯外侧。
所述的发射线圈由相同直径的多股利兹线和橡胶线绕制，且每一正对的发射单元的利兹线为串联，对与对之间的发射单元的利兹线为并联。
所述的外部机械驱动系统包括：连接在基座上的上层发射端机械驱动单元和下层发射端机械驱动单元，该驱动单元调整发射端的位姿并保证上层发射端和下层发射端正对。
所述的外部电路驱动系统包括：电源、驱动电路板、真空可调电容器和可调电感，其中：电源与驱动电路板相连，发射线圈与可调电感、可调真空电容器串联后连入驱动电路板，驱动电路板通过内部电阻以生成电压和频率变化的方波激励信号。
技术效果
与现有技术相比，本发明由多组发射线圈阵列组成多核心输出磁场，其有效供能区域面积占比大大提升；采用蜂窝形无线供能发射端大幅度提高空间利用率且每对蜂窝形发射单元之间是并联关系，整体需要的驱动电压很低。配合外部机械驱动系统，可以实时地根据机器人的姿态改变自身的供能方向。
本发明在具体应用时可以根据机器人的实时位置选择多蜂窝形发射端的部分蜂窝对供能，而不需要同时给所有的蜂窝对供电，即机器人运动到哪里，就选通所处位置的蜂窝形发射单元供电，其余不供电，减少了外部电源的压力与整体能耗。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为蜂窝形发射单元的结构示意图；
图3为多蜂窝阵列型发射端的结构示意图；
图4为外部机械驱动系统的示意图；
图5为外部电路驱动系统的示意图；
图中：上层发射端0、下层发射端1、胃肠道机器人2、中空床体3、外部机械驱动系统4、基座5、上层发射端机械驱动单元6、下层发射端机械驱动单元7、外部电路驱动系统8、电源9、驱动电路板10、真空可调电容器11、可调电感12、磁芯13、薄壁圆管14、橡胶线圈15、利兹线圈16、连接孔17、蜂窝形发射单元底座18、连接凸起19、连接件20、蜂窝形发射单元21。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：对应设置的上层发射端0和下层发射端1，以及胃肠道机器人2、中空床体3、外部机械驱动系统4和外部电路驱动系统8，其中：胃肠道机器人2位于待测体内，待测体位于中空床体3上，外部机械驱动系统4与上层发射端0和下层发射端1相连以调整发射端的位姿，外部电路驱动系统8与发射端配合产生交变磁场以为胃肠道机器人2的接收线圈提供驱动能量。
如图2所示，所述的上层发射端0和下层发射端1均由多个蜂窝形发射单元21组成，该蜂窝形发射单元21包括：蜂窝形发射单元底座18、连接凸起19、连接孔17、薄壁圆管14、填充磁芯13和绕制于薄壁圆管14上的发射线圈，其中：填充磁芯13位于薄壁圆管14内且二者共同设置于蜂窝形发射单元底座18的中央，连接凸起19位于蜂窝形发射单元底座18的底部中央，连接孔17位于蜂窝形发射单元底座18的各边以用于连接或移动。
所述的上层发射端0和下层发射端1优选在大面积供能时，可以将面积较大的无线供能发射端分解为较小的蜂窝形无线供能发射单元组合，采用多组线圈多核心供能。
所述的发射线圈由相同直径的多股利兹线圈16和橡胶线圈15绕制，且每对正对的蜂窝形发射单元21的利兹线圈16为串联，对与对之间的蜂窝形发射单元21的利兹线圈16为并联。
所述的填充磁芯13由高磁导率的锰锌铁氧体制成，其高度高于薄壁圆管14。
所述的利兹线圈16由多股利兹线绞合，其外部为绝缘层。
如图3所示，所述的上层发射端0和下层发射端1的蜂窝形发射单元21的个数由实际供能面积需要确定，蜂窝形发射单元21之间通过连接件20连接，保证整体连接的刚性，上层发射端0和下层发射端1在通过外部机械驱动系统4移动时，需要保证每对蜂窝形发射单元21的绕设线圈是同轴的并根据待测体的腹部厚度调整合适的工作层距与工作角度以保证胃肠道机器人2获得供能。
所述的中空床体3根据下层发射端1的面积调整中空面积并在其上铺设绝缘材料。
如图4所示，所述的外部机械驱动系统4包括：与基座5相连的上层发射端机械驱动单元6和下层发射端驱动单元7，三者形成C字形结构以自由调节发射端的位姿。
如图5所示，所述的外部电路驱动系统8包括：电源9、驱动电路板10、真空可调电容器11和可调电感12，其中：电源9为外部电路驱动系统8供电，驱动电路板10与真空可调电容器11、可调电感12和利兹线圈16形成回路，通过调节电容和电感使发射线圈在固定的频率下形成谐振，胃肠道机器人2的接收线圈调节至与发射线圈一样的谐振频率使发射部分和接收部分形成弱耦合系统，整体能量传输效率达到最高。
所述的电源9提供固定电压的直流供电和可调电压的直流供电。
所述的驱动电路板10通过调节自身参数输出频率可调的激励波，其激励信号的峰值由电源提供的可调驱动电压决定。
所述的下层发射端1设有用于待测体躺卧的床体，该床体与下层发射端1共同实现水平及垂直方向位移。
将本装置设置于常温下，多个蜂窝形发射单元组合形成上下两层无线供能发射端结构，设置合适诊察的间距，单个蜂窝形发射单元供能面积较小，上下两层总面积由所用蜂窝形发射单元个数决定。选取外部电源可调电压10V供电，使用可调电容和电感在高频情况下调谐达到谐振，使用胃肠道机器上的接收线圈测试供能有效区域以及接收效率。如以5％的接收效率为下限，达到这个标准的有效供能区域占总面积比例约为86％。
与现有技术相比本发明的优势在于：采用了多蜂窝阵列型无线供能发射端模式，可以灵活的使用蜂窝形发射单元21组成不同的阵列结构来实现多核驱动的无线供能，其有效供能区域的面积占比相对于单核心驱动的发射端有巨大提升，其能量传输效率也达到了胃肠道机器人2的供能需求。由于单组发射线圈截面积减小，线圈电阻减少，所需的驱动电压得到有效降低；中空床体3的设计让胃肠道机器人2距离发射端的距离减小，能量传输效率得到提高；体外机械驱动系统4根据待测体的个体差异实时调整工作层距和工作角度以适应不同的工作情况。
本发明在同等的供能面积需求下，单组单核心供能的发射线圈有效供能面积占远低于多组多核心供能的发射线圈。单组单核心的发射线圈供能面积不可变，应用范围受限，多组多核心的蜂窝形发射端可以根据所需供能面积灵活组合成所需的形状。由于每一对蜂窝形发射单元都可以单独选通供能，即相对于单组单核心供能的发射线圈，其所需能耗更小，仅需要在机器人工作的区域内选通对应的蜂窝形发射单元对即可，而不需要将所有的蜂窝形发射对都选通供能。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种用于微型机器人的蜂窝形无线供能装置，其特征在于，包括：对应设置形成稳定的交变磁场的上层发射端和下层发射端，以及外部机械驱动系统和外部电路驱动系统，其中：外部机械驱动系统与上层发射端和下层发射端相连以调整发射端的位姿，外部电路驱动系统与发射端配合产生交变磁场以为胃肠道机器人的接收线圈提供驱动能量；
所述的上层发射端和下层发射端均由多个蜂窝形发射单元组成，该蜂窝形发射单元包括：蜂窝形发射单元底座、连接凸起、连接孔、薄壁圆管、填充磁芯和绕制于薄壁圆管上的发射线圈，其中：填充磁芯位于薄壁圆管内且二者共同设置于蜂窝形发射单元底座的中央，连接凸起位于蜂窝形发射单元底座的底部中央，连接孔位于蜂窝形发射单元底座的各边以用于连接或移动；
所述的发射线圈由相同直径的多股利兹线圈和橡胶线圈绕制，且每对正对的蜂窝形发射单元的利兹线圈为串联，对与对之间的蜂窝形发射单元的利兹线圈为并联；
所述的填充磁芯由高磁导率的锰锌铁氧体制成，其高度高于薄壁圆管；
所述的利兹线圈由多股利兹线绞合，其外部为绝缘层。
2.根据权利要求1所述的用于微型机器人的蜂窝形无线供能装置，其特征是，所述的外部机械驱动系统包括：连接在基座上的上层发射端机械驱动单元和下层发射端机械驱动单元，该驱动单元调整发射端的位姿并保证上层发射端和下层发射端正对。
3.根据权利要求1所述的用于微型机器人的蜂窝形无线供能装置，其特征是，所述的外部电路驱动系统包括：电源、驱动电路板、真空可调电容器和可调电感，其中：电源与驱动电路板相连，发射线圈与可调电感、可调真空电容器串联后连入驱动电路板，驱动电路板通过内部电阻以生成电压和频率变化的方波激励信号。
4.根据权利要求1所述的用于微型机器人的蜂窝形无线供能装置，其特征是，所述的下层发射端设有用于待测体躺卧的床体。
5.根据权利要求1所述的用于微型机器人的蜂窝形无线供能装置，其特征是，所述的下层发射端的外部设有中空床体以供带有胃肠道机器人的待测体躺卧，该中空床体的中空面积根据下层发射端的面积确定。
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